COMPÓSITOS DE MATRIZ PDMS PREPARADOS COM TEOS POR IRRADIAÇÃO GAMA

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Ana Luísa do Amaral Lagos
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1 Encontro Nacional de Materiais e Estruturas Compósitas ENMEC2010 A. J. M. Ferreira (Editor) FEUP, Porto, 2010 COMPÓSITOS DE MATRIZ PDMS PREPARADOS COM TEOS POR IRRADIAÇÃO GAMA F.M.A. Margaça *, I.M. Miranda Salvado, L.M. Ferreira *, S.R. Gomes +, D. Faria Silva # and * * Unidade de Física e Aceleradores, Instituto Tecnológico e Nuclear Estrada Nac. 10, Sacavém, Portugal fmargaca@itn.pt, ferreira@itn.pt, falcao@itn.pt, web page: Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, Universidade de Aveiro Campus de Santiago, Aveiro, Portugal isabelmsalvado@ua.pt, web page: + Departamento de Física e CEFITec Centro de Física e Investigação Tecnológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Caparica, Portugal susanagomes@hotmail.com, web page: # Laboratório de Calibração em Metrologia Física Pressão, Instituto de Soldadura e Qualidade Av. Prof. Dr. Cavaco Silva, 33 Taguspark, Oeiras, Portugal dmsilva@isq.pt, web page: Palavras - Chave: Matriz PDMS, irradiação gama, análise térmica, grau de inchaço. Resumo. Materiais compósitos à base de polidimetilsiloxano foram preparados a partir de uma mistura de polidimetilsiloxano (PDMS) terminado em silanol e tetraetilortossilicato (TEOS), usando a radiação gama proveniente de uma fonte de 60 Co, como fonte energética iniciadora do processo de polimerização. As amostras foram preparadas com diferentes concentrações de TEOS. Os compósitos obtidos são monolíticos, flexíveis e transparentes. Resultados de difracção de raios X mostraram que são amorfos. O comportamento térmico foi estudado por calorimetria diferencial de varrimento e termogravimetria. Os resultados sugerem que a presença de TEOS tem um efeito decisivo na conformação das cadeias da matriz polimérica, modelando a formação da rede, tal como demonstrado pelo grau de inchaço dos materiais obtidos. 1 INTRODUÇÃO O polidimetilsiloxano (PDMS) tem sido amplamente utilizado para preparar compósitos híbridos orgânico-inorgânicos, com as mais variadas aplicações. A maioria dos

2 destes materiais tem sido preparada pelo método sol-gel [1]. Recentemente os autores prepararam materiais híbridos usando a irradiação gama da mistura dos precursores PDMS e alcóxidos de Si e Zr [2-4]. No presente trabalho este método foi utilizado para preparar materiais compósitos a partir de uma mistura de polímero e alcóxido de silício sem adição de qualquer outro composto. Em seguida apresentam-se alguns resultados do estudo do comportamento térmico e do grau de inchaço dos compósitos obtidos. 2 PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS Tetraethilortosilicato (TEOS), pureza 99%, Riedel-de Haën, e polidimethilsiloxano (PDMS), terminado em silanol, p.a. ABCR, com peso molecular médio, M w = g/mol, designado por S33, foram usados como precursores para preparar amostras com composição xpdms (100-x)TEOS, x em % peso. A variação da massa das amostras durante o período de secagem à temperatura ambiente foi avaliada usando uma balança analítica electrónica Sartorius com erro ± 0,01 g. As amostras foram caracterizadas ainda por difracção de raios X, calorimetria diferencial de varrimento e termogravimetria. Finalmente foram estudadas relativamente ao grau de inchaço, usando tolueno, pureza 99,5 % p.a., Merck. Para calcular o grau de inchaço, Q [5] determinou-se a massa antes (m 0 ) e após (m) imersão em tolueno até ao inchaço máximo e utilizou-se a seguinte relação: (1) onde ρ é a densidade do tolueno (ρ = 0.87 g.cm -3 ). Desta forma, o grau de inchaço que representa fisicamente o volume ocupado pelo solvente na rede, é determinado. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 1 apresenta-se a variação do peso das amostras de composição xpdms (100- x)teos durante a secagem ao ar e temperatura ambiente. 2

3 Figura1: Massa das amostras xpdms (1-x)TEOS em função do tempo de secagem. Observa-se que a massa das amostras, após secagem, tende para um valor que é ligeiramente superior ao da massa do polímero usado originalmente na sua preparação. Uma fracção significativa do TEOS evapora-se durante o período de secagem. Isto revela que, no final da preparação dos materiais compósitos, uma grande parte do TEOS permanecia livre, sem ligação à matriz polimérica, enquanto uma pequena parte fica na amostra seca. De acordo com os resultados de difracção de raios X todas as amostras são amorfas. Os resultados de termogravimetria apresentam-se na Figura 2. Observa-se que a estabilidade térmica dos materiais compósitos preparados aumenta com o teor em TEOS usado na sua preparação. 3

4 Figura 2: Resultados de termogravimetria para as amostras PDMS e PDMS+TEOS. Nas curvas de perda de peso em função da temperatura pode-se determinar o valor da temperatura associado ao início da pronunciada perda de massa. Essa temperatura passa a ser designada como Temperatura de ruptura térmica, T rt. Esta temperatura está associada ao início da degradação da matriz polimérica. A Figure 3 mostra a variação da Temperatura de ruptura térmica em função da razão TEOS/PDMS para os compósitos obtidos. Figura 3: Variação da temperatura de ruptura térmica com o teor em TEOS usado na preparação dos compósitos. 4

5 A temperatura necessária para atingir o início da ruptura térmica aumenta cerca de 50 ºC, para as amostras preparadas com TEOS comparativamente à amostra de PDMS irradiado nas mesmas condições. No entanto esta temperatura permanece aproximadamente constante com o aumento do teor em TEOS. Uma vez que em todos os materiais compósitos obtidos, independentemente da composição da mistura irradiada, uma fracção significativa do TEOS evapora-se durante a secagem, o aumento da temperatura de ruptura térmica pode estar relacionado com o reforço da rede do polímero. Assim, o desenvolvimento da rede da matriz polimérica é dependente da presença de TEOS durante o processo de irradiação. De acordo com os resultados de calorimetria diferencial de varrimento observa-se um pico exotérmico T exo 300 ºC, para todas as amostras. Este efeito térmico, T exo, está associado à reordenação das cadeias de PDMS, e ocorre sempre a uma temperatura inferior a 300 ºC diminuindo com o aumento do teor em TEOS. Isto sugere que o TEOS facilita o ordenamento espacial das cadeias do polímero. Mesmo depois da evaporação de uma grande parte do TEOS durante a secagem, o material compósito parece guardar memória da presença do TEOS durante o processo de preparação por irradiação. A investigação prosseguiu com a determinação do grau de inchaço em função da razão TEOS/PDMS, usada na preparação. Os resultados mostram-se na Figura 4. Figure 4: Variação do grau de inchaço com a razão TEOS/PDMS. 5

6 O grau de inchaço revela um ponto crítico para TEOS/PDMS ¼. No caso de teor em TEOS, abaixo do ponto crítico, o inchaço do polímero diminui com o teor em TEOS. Nesta região as moléculas de TEOS podem estar a actuar como agentes ramificadores das cadeias poliméricas. Para teores em TEOS acima do ponto crítico, o inchaço aumenta com o teor em TEOS. Isto é indicativo de que, neste caso, a maioria das moléculas de TEOS actuam como agentes de espaçamento entre as cadeias do polímero. Estão programadas experiências de dispersão de neutrões a pequenos ângulos para clarificar e aprofundar o papel desempenhado pelo TEOS na formação da rede da matriz polimérica nestes materiais compósitos. 4 CONCLUSÕES Materiais compósitos do sistema TEOS/PDMS preparados com diferentes teores em TEOS usando irradiação gama foram estudados. Verificou-se que, embora uma fracção significativa do TEOS se evapore depois da irradiação, a sua presença nos estágios iniciais da preparação e o remanescente que fica ligado à estrutura do material, tem um forte impacto nas propriedades térmicas e no grau de inchaço dos materiais compósitos obtidos por este método. REFERENCES [1] H. Schmidt, G. Jonschker, S. Goedicke, M. Mennig, J. Sol-Gel Sci. Tec., 19, (2000) [2], M. Carrapiço, J. Santos Sousa, F.M.A. Margaça, L.M. Ferreira, F.G. Carvalho, I.M. Miranda Salvado, J. Teixeira, J. Sol-Gel Sci. Tec., 26, (2003) [3] S.R. Gomes, F.M.A. Margaça, I.M. Miranda Salvado, L.M. Ferreira,, Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B, 248/2, (2006) [4] S.R. Gomes, F.M.A. Margaça, L.M. Ferreira, I.M. Miranda Salvado,, Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B, 265, (2007) [5] I.C. Sanchez and R.H. Lacombe, Macromolecules, 11, (1978) 6

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